Het team maakt nanomagneten die beschadigde zenuwcellen kunnen herstellen

Modulaire magnetische apparaten voor het aanbrengen van lokale magnetische velden. Magnetische velden toepassen met behulp van A) 4 mm diameter pinhole parallel uitgelijnde en bijenkorfachtige magnetische apparaten. B) Ringmagneet met een diameter van 1,5 cm. i) Illustraties van magnetische apparaten. In blauw: poriën zijn gerangschikt in een bijenkorfachtig patroon, in rood: poriën zijn gerangschikt in parallelle lijnen. ii) Levensgrote afbeeldingen van magnetische staaf/ring. iii) Simulaties van magnetische fluxdichtheid in COMSOL-software. De afbeeldingen geven een bovenaanzicht weer van de magnetische fluxdichtheid gegenereerd door een magnetische staaf/ring in tesla (T). Intensiteit is kleurgecodeerd (lage intensiteit in donkerblauw, hoge intensiteit in rood). iv) COMSOL-simulaties van magnetisch veld, magnetische fluxdichtheid en magnetische kracht 1 mm boven de magnetische staaf/ring. Het magnetische veld wordt aangegeven als ononderbroken lijnen. De intensiteit van de magnetische fluxdichtheid in tesla (T) is kleurgecodeerd (lage intensiteit in donkerblauw, hoge intensiteit in rood) en de richting van de kracht wordt aangegeven door rode pijlen. Credit: Geavanceerde functionele materialen (2022). DOI: 10.1002/adfm.202204925

Neuronen zijn de fundamentele eenheden van de hersenen en het zenuwstelsel, de cellen die verantwoordelijk zijn voor het ontvangen van sensorische input van de buitenwereld, voor het verzenden van motorische commando’s naar onze spieren en voor het transformeren en doorgeven van de elektrische signalen bij elke stap daartussenin. Neuronen, ook wel zenuwcellen genoemd, bestaan ​​uit drie hoofdonderdelen: het cellichaam, de dendrieten en het axon – een lange, dunne verlenging die verantwoordelijk is voor de communicatie met andere cellen.

Wanneer neuronen worden beschadigd door degeneratieve ziekte of verwonding, hebben ze weinig of geen vermogen om op zichzelf te genezen. Het herstellen van neurale netwerken en hun normale functie is daarom een ​​grote uitdaging op het gebied van tissue engineering.

Prof. Orit Shefi en promovendus Reut Plen van de Kofkin Faculteit Ingenieurswetenschappen aan de Bar-Ilan Universiteit hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om deze uitdaging te overwinnen met behulp van nanotechnologie en magnetische manipulaties, een van de meest innovatieve benaderingen voor het creëren van neurale netwerken. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.

Om neurale netwerken te creëren, injecteerden de onderzoekers magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes in neurale voorlopercellen, waardoor de cellen in onafhankelijke magnetische eenheden veranderden.

Vervolgens stelden ze de voorlopercellen, waarvan bekend is dat ze zich ontwikkelen tot neuronen, bloot aan een aantal vooraf ingestelde magnetische velden en stuurden ze hun beweging op afstand binnen een driedimensionaal en meerlagig collageensubstraat dat de natuurlijke kenmerken van lichaamsweefsel nabootst. Door deze magnetische manipulaties creëerden ze driedimensionale “mini-hersenen” – functionele en meerlagige neurale netwerken die elementen nabootsen die in de hersenen van zoogdieren worden aangetroffen.

Nadat de collageenoplossing tot een gel was gestold, bleven de cellen op hun plaats volgens de op afstand aangelegde magnetische velden. Binnen een paar dagen ontwikkelden de cellen zich tot volwassen neuronen, vormden extensies en verbindingen, vertoonden elektrische activiteit en gedijden gedurende ten minste 21 dagen in de collageengel.

“Deze methode maakt de weg vrij voor het creëren van 3D-celarchitectuur op een aangepaste schaal voor gebruik in bio-engineering, therapeutische en onderzoekstoepassingen, zowel binnen als buiten het lichaam”, zegt Ph.D. student Reut Plen.

“Aangezien de 3D neurale netwerken die we hebben gemaakt, aangeboren eigenschappen van menselijk hersenweefsel simuleren, kunnen ze worden gebruikt als experimentele ‘mini-hersenen’ en dienen als model voor de studie van medicinale medicijnen, voor het onderzoeken van communicatie tussen weefsels en als een manier om bouw kunstmatige netwerken voor interfaces tussen technische en biologische componenten.”

“Bovendien suggereert het model een interessant vooruitzicht om zo’n gel, die cellen bevat, in vloeibare toestand te injecteren, deze in het zenuwstelsel te brengen en de cellen met behulp van magnetische krachten in de juiste structuur te organiseren. Het voordeel van het gebruik deze methode is dat magnetische velden op een niet-invasieve manier cellen diep in het lichaam kunnen beïnvloeden, “voegt Plen toe.

Het inbrengen van magnetische deeltjes in cellen, en in het bijzonder in zenuwcellen, roept vragen op over de veiligheid van toekomstige medische toepassingen. “De kwestie van veiligheid is belangrijk en we hebben er veel over nagedacht en onderzoek naar gedaan”, zegt prof. Orit Shefi.

“In de eerste stap hebben we het effect van verschillende deeltjes op de celgezondheid in kweek getest. Daarnaast hebben we de magnetische deeltjes gecoat met een biocompatibel eiwit. De coating creëert een buffer tussen het magnetische element en de cel en stimuleert de penetratie van de nanodeeltjes.” Belangrijk is dat ijzer, de bouwsteen van het nanodeeltje, van nature in het lichaam aanwezig is, dus het is geen vreemde substantie. Bovendien is dezelfde gel met magnetische deeltjes getest in ons laboratorium en veilig bevonden voor gebruik in diermodellen.”

De Amerikaanse Food and Drug Administration heeft het gebruik van magnetische nanodeeltjes al goedgekeurd voor diagnostische en beeldvormingsdoeleinden en in gevallen van ernstig letsel. De stappen van de onderzoeksgroep Bar-Ilan creëren een kans om de technologie voor toekomstig klinisch gebruik te bevorderen. “Dit is nog maar het begin”, zeggen Shefi en Plen. “Onze nieuwe methode om ‘mini-hersenen’ te creëren, opent de deur naar het vinden van oplossingen voor verschillende neurologische stoornissen die hopelijk de kwaliteit van leven van talloze patiënten zullen verbeteren.”